生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)_scy-2 光與生物組織體相互作用的基本形式20151111

1、Chapter 2 Interaction between light and bio-tissueChapter 2 Outlines2.1 Interaction forms between light and bio-tissue 2.2 Absorption2.3 Scattering2.4 Luminescence2.5 Photothermal effect and Photoacoustic effect 2.6 Photochemical effects2.1 Interaction forms between light and bio-tissue圖圖2.1 光與組織體的相

2、互作用光與組織體的相互作用1.光與生物組織體相互作用的表現(xiàn)形式或現(xiàn)象光與生物組織體相互作用的表現(xiàn)形式或現(xiàn)象2.1 Interaction forms between light and bio-tissueu吸收吸收光強(qiáng)隨著光在組織體中的傳播距離的增加而不斷減光強(qiáng)隨著光在組織體中的傳播距離的增加而不斷減 小，未被吸收的光經(jīng)組織體邊界出射。小，未被吸收的光經(jīng)組織體邊界出射。u反射、折射和散射反射、折射和散射組織體的宏觀或微觀的不均勻性導(dǎo)致組織體的宏觀或微觀的不均勻性導(dǎo)致 光傳播方向的改變光傳播方向的改變u偏振態(tài)及偏振效應(yīng)偏振態(tài)及偏振效應(yīng)u光聲效應(yīng)光聲效應(yīng)u光致發(fā)熱光致發(fā)熱u光致發(fā)光光致發(fā)光u光化

3、學(xué)效應(yīng)光化學(xué)效應(yīng)2.1 Interaction forms between light and bio-tissue宏觀現(xiàn)象是通過宏觀現(xiàn)象是通過微觀的物理變化產(chǎn)生的！微觀的物理變化產(chǎn)生的！2.1 Interaction forms between light and bio-tissue光和組織相互作用過程的能級表示 2.組織體內(nèi)部的各種微觀物理過程組織體內(nèi)部的各種微觀物理過程 不同能級之間的躍遷對應(yīng)著不同的物理過程不同能級之間的躍遷對應(yīng)著不同的物理過程2.1 Interaction forms between light and bio-tissueu光輻射入射到組織體，電子向上躍遷到不同電

4、子激發(fā)態(tài)的光輻射入射到組織體，電子向上躍遷到不同電子激發(fā)態(tài)的不同振動(dòng)能級上，或?qū)崿F(xiàn)不同振動(dòng)能級之間的躍遷不同振動(dòng)能級上，或?qū)崿F(xiàn)不同振動(dòng)能級之間的躍遷吸收吸收過程、吸收光譜過程、吸收光譜u電子從高能級向低能級的衰變過程中可分別以無輻射躍遷電子從高能級向低能級的衰變過程中可分別以無輻射躍遷的方式向周圍發(fā)出熱而將多余的能量消耗掉的方式向周圍發(fā)出熱而將多余的能量消耗掉光熱、光聲、光熱、光聲、光電導(dǎo)等現(xiàn)象光電導(dǎo)等現(xiàn)象u電子從最低激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級開始的向下躍遷過程可電子從最低激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級開始的向下躍遷過程可能采取發(fā)出一個(gè)光子但不改變其自旋的過程能采取發(fā)出一個(gè)光子但不改變其自旋的過程熒光產(chǎn)生、熒

5、光產(chǎn)生、熒光光譜熒光光譜u分子從受激虛態(tài)向下躍遷時(shí)回到電子基態(tài)中的其他振動(dòng)能分子從受激虛態(tài)向下躍遷時(shí)回到電子基態(tài)中的其他振動(dòng)能級時(shí)，產(chǎn)生和入射光同頻率的光以及比入射光頻率大或小的級時(shí)，產(chǎn)生和入射光同頻率的光以及比入射光頻率大或小的光光Raman Raman 散射、散射、RamanRaman光譜光譜2.1 Interaction forms between light and bio-tissue組織光學(xué)（組織光學(xué)（tissue optics) 研究可見光和近紅外光在生物組織體中的傳播特研究可見光和近紅外光在生物組織體中的傳播特點(diǎn)和規(guī)律的一門學(xué)問，其基本任務(wù)是確定在一定條點(diǎn)和規(guī)律的一門學(xué)問，其基

6、本任務(wù)是確定在一定條件下光輻射能量在組織體內(nèi)的分布，進(jìn)而發(fā)展活體件下光輻射能量在組織體內(nèi)的分布，進(jìn)而發(fā)展活體組織光學(xué)特性參數(shù)的測量方法。組織光學(xué)特性參數(shù)的測量方法。Chapter 2 Interaction between light and bio-tissue2.1 Interaction forms between light and bio-tissue 2.2 Absorption2.3 Scattering2.4 Luminescence2.5 Photothermal effect and Photoacoustic effect 2.6 Photochemical effect

7、s 2.2.1 吸收效應(yīng)和吸收系數(shù)吸收效應(yīng)和吸收系數(shù) 2.2.2 分子分子吸收種類吸收種類 2.2.3 生物組織中的吸收物質(zhì)生物組織中的吸收物質(zhì) 2.2.4 朗伯朗伯-比爾定理比爾定理 2.2 Absorption2.2 Absorption2.2 Absorption光的吸收光的吸收:光在通過生物組織體時(shí)由于部分光能轉(zhuǎn)換成熱運(yùn)動(dòng)或分子的某種振動(dòng)從而導(dǎo)致光強(qiáng)度的衰減。2.2 Absorption-透明：允許光通過而完全不吸收真空根據(jù)對光的吸收能力 對不同波段吸收不同生物組織體不透明：使入射輻射能量降為零人角膜和晶狀體在可見光波段近似于透明體，但在紅外人角膜和晶狀體在可見光波段近似于透明體，但在

8、紅外波段卻表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收。波段卻表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收。收比較強(qiáng)定波長的光有吸收或吸選擇性吸收：對某些特的衰減程度相同或相似范圍內(nèi)的所有波長的光一般吸收：對一定光譜生物組織體2.2 AbsorptionOptical properties for describing the absorption ability of tissue:吸收系數(shù)吸收系數(shù)-absorption coefficient吸收截面吸收截面-absorption cross-sectional area2.2 AbsorptionuAbsorption cross-sectional area（吸收截面）（吸收截面）0IPab

9、sa吸收截面具有面積的單位吸收截面具有面積的單位2.2 AbsorptionA Ag ge eo om me et tr ri ic ca al l c cr ro os ss s- -s se ec ct ti io on ne ef ff fe ec ct ti iv ve e c cr ro os ss s- -s se ec ct ti io on n = = Q Q A Aa aa a a = Qa Acm2 - cm2QaA：geometrical area：efficiency2.2 AbsorptionaaAbsorption coefficient： Unit: 1/cm,1

10、/mm吸收粒子密度吸收粒子密度吸收截面吸收截面3cm2cmpThe absorption coefficient is essentially the cross-sectional area for absorption per unit volume of medium.p單位程長上一個(gè)光子被吸收的概率單位程長上一個(gè)光子被吸收的概率吸收系數(shù)越大，代表組織體對該波長的光的吸收也越大吸收系數(shù)越大，代表組織體對該波長的光的吸收也越大2.2 Absorptionmean absorption free pathlength）aal1pThe reciprocal represents the av

11、erage distance a photon travels before being possibly absorbed.組織體的吸收平均自由程在一般在組織體的吸收平均自由程在一般在1cm-33cm之間之間 2.2.1 吸收效應(yīng)和吸收系數(shù)吸收效應(yīng)和吸收系數(shù) 2.2.2 分子分子吸收種類吸收種類 2.2.3 生物組織中的吸收物質(zhì)生物組織中的吸收物質(zhì) 2.2.4 朗伯朗伯-比爾定理比爾定理 2.2 Absorption2.2 Absorption2.2 Absorption躍遷：躍遷：粒子從低能級到高能級的轉(zhuǎn)移過程粒子從低能級到高能級的轉(zhuǎn)移過程躍遷的條件：躍遷的條件：吸收能量吸收能量蛋白質(zhì)分子

12、圖蛋白質(zhì)分子圖 組織體的基本單元是細(xì)胞 細(xì)胞又是由分子組成的，例如控制細(xì)胞化學(xué)作用的DNA本身就是一個(gè)分子。 分子由碳、氫、氧、氮、磷等這些原子組成的，各個(gè)原子之間以化學(xué)鍵相連而組成分子。2.2 Absorption1、自由原子（、自由原子（原子間的相互作用可以忽略）的躍遷的躍遷躍遷的形式：躍遷的形式：原子外層電子外層電子就會(huì)發(fā)生從基態(tài)到高能 級的躍遷。躍遷的種類：躍遷的種類：Electronic transitions 躍遷的條件：躍遷的條件：absorb UV, visible, NIR lightground state S0Excited electronic state S101SS

13、h2.2 Absorption2、分子的躍遷、分子的躍遷生物組織體原子并不是處于自由狀態(tài)的，原子靠化學(xué)鍵聚在一起組成分子，而且組成的是大分子，很顯然分子對電磁波的吸收與單個(gè)原子的吸收相比要復(fù)雜得多。分子的能級取決于分子的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)分子的能級取決于分子的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)ns transitiorotational-ns transitioibrational-ns transitioelectronic- 分子的轉(zhuǎn)動(dòng)原子核間的振動(dòng)電子相對原子核的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)分子的v2.2 Absorption（1）、電子相對原子核的運(yùn)動(dòng)及吸收）、電子相對原子核的運(yùn)動(dòng)及吸收2.2 Absorption分子在吸收光輻射能量后

14、可以產(chǎn)生電子態(tài)間的躍遷，此時(shí)電子分子在吸收光輻射能量后可以產(chǎn)生電子態(tài)間的躍遷，此時(shí)電子由一個(gè)低能級的軌道（即成鍵軌道）躍遷到高能級軌道（稱為由一個(gè)低能級的軌道（即成鍵軌道）躍遷到高能級軌道（稱為反鍵軌道，用上標(biāo)反鍵軌道，用上標(biāo)*表示）表示）, 分子也由基態(tài)變成為激發(fā)態(tài)。分子也由基態(tài)變成為激發(fā)態(tài)。2.2 Absorption（2）、分子的振動(dòng)及吸收：）、分子的振動(dòng)及吸收：當(dāng)分子從一個(gè)振動(dòng)態(tài)變化到另一個(gè)振動(dòng)態(tài)移動(dòng)時(shí)造成的能量的變化向運(yùn)動(dòng)：原子在垂直于價(jià)鍵方彎曲振動(dòng)回運(yùn)動(dòng)：原子沿著價(jià)鍵方向來伸展振動(dòng)振動(dòng)分子的 HHCHHC剪式搖擺面內(nèi)變形引起振動(dòng)躍遷的能量通常對應(yīng)在引起振動(dòng)躍遷的能量通常對應(yīng)在紅外（

15、紅外（infrared, IR）區(qū)域）區(qū)域 高頻區(qū)低頻區(qū)2.2 Absorption振動(dòng)吸收峰的種類振動(dòng)吸收峰的種類2.2 Absorption（2）、分子的轉(zhuǎn)動(dòng)及吸收：）、分子的轉(zhuǎn)動(dòng)及吸收： 轉(zhuǎn)動(dòng)能級代表分子處于不同轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)所具有的能量轉(zhuǎn)動(dòng)吸收所需要的能量低于實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能級躍遷所需要的能量，通常其吸收譜位于紅外區(qū)。由于轉(zhuǎn)動(dòng)吸收是在振動(dòng)吸收的基礎(chǔ)上所產(chǎn)生的附加的精細(xì)結(jié)構(gòu).2.2 Absorption轉(zhuǎn)動(dòng)能級躍遷需要的能量轉(zhuǎn)動(dòng)能級躍遷需要的能量 振動(dòng)能級躍遷需要的能量振動(dòng)能級躍遷需要的能量 電子躍遷需要的能量電子躍遷需要的能量分子吸收總能量可以看成是電子、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能量分子吸收總能量可以看成是電

16、子、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能量的總和：的總和：E EE ES S+E+EP P+E+ER R+E+EV V （2.12.1）其中其中EsEs是電子的能量是電子的能量，平動(dòng)能平動(dòng)能E EP P只是溫度的函數(shù)只是溫度的函數(shù)，E EV V是由于原子間的振動(dòng)是由于原子間的振動(dòng)（vibrationvibration）而具有的能量而具有的能量，而而E ER R是分子圍繞其核心旋轉(zhuǎn)是分子圍繞其核心旋轉(zhuǎn)（rotationrotation）所具有的能量。所具有的能量。 2.2 Absorption表表2.1 2.1 各光波段對應(yīng)的躍遷各光波段對應(yīng)的躍遷2.2 Absorption要把電子躍遷和分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)的躍遷完全分開是

17、不可能的。要把電子躍遷和分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)的躍遷完全分開是不可能的。由于轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)在電子態(tài)間形成了很多精細(xì)能級，因此可能由于轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)在電子態(tài)間形成了很多精細(xì)能級，因此可能發(fā)生的躍遷是多種多樣的，分子吸收光譜應(yīng)該是帶狀光譜而發(fā)生的躍遷是多種多樣的，分子吸收光譜應(yīng)該是帶狀光譜而非線狀光譜。非線狀光譜。 2.2.1 吸收效應(yīng)和吸收系數(shù)吸收效應(yīng)和吸收系數(shù) 2.2.2 分子分子吸收種類吸收種類 2.2.3 生物組織中的吸收物質(zhì)生物組織中的吸收物質(zhì) 2.2.4 朗伯朗伯-比爾定理比爾定理 2.2 Absorption2.2 Absorptiononly affecting reflection1% cell

18、s blood WhiteplateletNIR n toabsorptrio no 55% RbC) suspendingfor salt and water of(solution Plasmalungin HB-oxyhemoglobin-Deoxycapillaryin HB-deoxyhemoglobin-Oxy44% (RbC) cells blood RedBloodConstant concentration during measuring periodLow concentration 肌紅蛋白肌紅蛋白2.2 Absorption2.2 Absorption組織體中的幾種主

19、要吸收物質(zhì)的吸收譜組織體中的幾種主要吸收物質(zhì)的吸收譜 100-10000nm處水、血紅蛋白等的吸收譜處水、血紅蛋白等的吸收譜650-950 nm吸收系數(shù)隨著波長的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢吸收系數(shù)隨著波長的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢在在600600900nm900nm的的NIRNIR波段，水的吸收系數(shù)約為波段，水的吸收系數(shù)約為0.001mm0.001mm-1-1，因此可以講，因此可以講，水具有水具有NIRNIR觀測觀測“窗口窗口”特性。特性。2.2 Absorption水的吸收光譜水的吸收光譜 在在600600900nm900nm的的NIRNIR波段，組織體中的主要吸收體為氧合血紅蛋白波段，組織體中的主要

20、吸收體為氧合血紅蛋白(Oxy-(Oxy-hemoglobin,hemoglobin, HbO2）和還原血紅蛋白）和還原血紅蛋白(deoxy-hemoglobin,(deoxy-hemoglobin, Hb）2.2 Absorption濃度通常用濃度通常用 表示表示, ,例如例如氧合血紅蛋白的濃度表示為氧合血紅蛋白的濃度表示為 HbO2 還原血紅蛋白的濃度表示為還原血紅蛋白的濃度表示為 Hb 2.2 AbsorptionNNNNpyrrolesporphyrinsheme(chlorophyll)cytochromesphycobiliproteinscarotenoidsferredoxins

21、flavinsmelaninNONNNONOOOOO吡咯卟啉血紅素細(xì)胞色素澡膽蛋白類胡蘿卜素黃素黑色素Absorbers within the range of UVIR總總 結(jié)結(jié) 600nm-900nm（近紅外）區(qū)，水的吸收很小。 近紅外的一些區(qū)域和紅外區(qū)，水成為生物組織體中占主導(dǎo)地位的吸收物，因此其它生色團(tuán)對光的吸收信息實(shí)際上是淹沒在了水的吸收譜內(nèi)的。2.2 Absorption對對 策策 采用的光波長應(yīng)該盡量避開水的吸收峰，水在600-900 nm 的低吸收，（也被稱為近紅外光測量的光學(xué)窗口，NIR window），從而使得在此波段的光有可能穿過幾厘米深的組織體，實(shí)現(xiàn)深層組織的探測。 要

22、采取靈敏的檢測技術(shù)和方法從水吸收的背景內(nèi)提取出所需要的生色團(tuán)的吸收信息2.2 Absorption 2.2.1 吸收效應(yīng)和吸收系數(shù)吸收效應(yīng)和吸收系數(shù) 2.2.2 分子分子吸收種類吸收種類 2.2.3 生物組織中的吸收物質(zhì)生物組織中的吸收物質(zhì) 2.2.4 朗伯朗伯-比爾定理比爾定理 2.2 Absorption2.2 Absorption2.2 Absorption純吸收或弱純吸收或弱散射媒質(zhì)散射媒質(zhì)光的傳播規(guī)律：光的傳播規(guī)律：p 衰減衰減p 距離越長衰減越大距離越長衰減越大laeII02.2 AbsorptionLamberts law:Beers law:clIIOD)lg(0為波長的函數(shù)，

23、稱為比消光系數(shù)（specific extinction coefficient)l為光程OD為光密度(optical density); C 為物質(zhì)濃度Lambert-Beers law303. 2)lg(303. 2)ln(00clIIIIca為消光系數(shù)2.2 Absorption對于有n種吸收體：niiiac122HbOHbHbOHba例如血液中在600-900nm波段內(nèi),主要吸收體為氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白： CFA CdIIOD0lgIIA0ln回歸配制不同濃度的樣品消光系數(shù)，從消光系數(shù)，從而判定物質(zhì)而判定物質(zhì)根據(jù)已知光譜濃度濃度消光比2.2 Absorption朗伯朗伯-比爾定理的

24、應(yīng)用：比爾定理的應(yīng)用： 2.3.1 散射效應(yīng)散射效應(yīng) 2.3.2 彈性散射彈性散射 2.3.3 非彈性散射非彈性散射 2.3.4 組織體出射光子的分類和組織體出射光子的分類和 修正的朗伯比爾定理修正的朗伯比爾定理 2.3 Scattering2.3 Scattering2.3 Scattering1、組織體中散射的產(chǎn)生 在光的傳播方向之外，甚至在媒質(zhì)的側(cè)面也會(huì)看到光束的軌跡，這種現(xiàn)象無法用反射或折射現(xiàn)象來解釋2.3 Scattering散射（scattering）：電磁能方向的改變，光在組織體中的散射被認(rèn)為是由于組織體的密度、折射率、介電常數(shù)等的空間雜亂分布引起的，散射改變了光子的傳播方向。

25、圖2.9 反射、折射、漫反射和散射 2.3 Scattering2、散射？反射？ 2.3 Scattering2、散射？反射？ 宏觀尺度（macroscopical level)：如果組織體的不均勻尺度遠(yuǎn)大于波長的數(shù)量級，例如處理組織體邊界、組織體和探測器以及組織體之間的區(qū)域時(shí)，我們稱之為宏觀尺寸發(fā)生折射，反射，漫反射如果尺度達(dá)到可見光波長數(shù)量級的組織小塊間存在折射率的較大差異，光線除了按照幾何光學(xué)規(guī)律傳播發(fā)生反射和折射外，還會(huì)發(fā)生散射。強(qiáng)散射性正是源于折射率的半微觀上的不均勻性2.3 Scattering（1）反射遵守菲涅爾（Fresnel）定律，即入射角等于反射角且入射光線和反射光線在同一

26、個(gè)平面內(nèi)。組織體的折射率在紅及近紅外波段一般取為1.4。p水為 1.33，p脂肪組織約為1.45，p牙等硬組織為1.62，p其它組織為 1.36-1.40 光在組織體中的傳播速度約為0.21mm/ps（3）對于生物組織來說由于其表面的粗燥度大于輻射的波長，因此會(huì)出現(xiàn)漫反射，此時(shí)被反射的許多光束并不一定與入射光線處于同一平面內(nèi)，因此漫反射不遵守反射定律。拉曼散射非彈性散射米散射瑞利散射寸）彈性散射（根據(jù)粒子尺散射-頻率高的光子表現(xiàn)出的粒子性強(qiáng)，頻率低的光子表現(xiàn)出的波動(dòng)性強(qiáng)。 3、散射的類型 2.3 Scattering 2.3.1 散射效應(yīng)散射效應(yīng) 2.3.2 彈性散射彈性散射 2.3.3 非彈

27、性散射非彈性散射 2.3.4 組織體出射光子的分類和組織體出射光子的分類和 修正的朗伯比爾定理修正的朗伯比爾定理 2.3 Scattering 1、單個(gè)粒子的散射、散射截面 （1）、散射截面 （2）、彈性散射的分類 2、多個(gè)粒子的散射、散射系數(shù) （1）、散射系數(shù) （2）、散射平均自由程 （3）、相位函數(shù)和散射各向異性系數(shù) 2.3 Scattering1、單個(gè)粒子的散射、散射截面、單個(gè)粒子的散射、散射截面 （1）、散射截面）、散射截面(scattering cross-section)2.3 ScatteringA Ag ge eo om me et tr ri ic ca al l c cr

28、ro os ss s- -s se ec ct ti io on ne ef ff fe ec ct ti iv ve e c cr ro os ss s- -s se ec ct ti io on n = = Q Q A As ss s2.3 Scattering2.3 Scattering（2）、彈性散射的分類following Fresnel & Snell Laws2.3 Scattering圖 發(fā)生在組織體內(nèi)的彈性散射2.3 Scattering2、多個(gè)粒子的散射、散射系數(shù) （1）、散射系數(shù)（scattering coefficient） ss 在具有多種散射體的混合煤質(zhì)情況

29、下，總的散射系數(shù)由下式?jīng)Q定：iiisiiss)()()(, 2.3 Scattering2.3 Scattering等效粒子數(shù)密度：（2）、散射平均自由程（scattering mean free path length or scattering length） 散射平均自由程：sspN1ssl1 2.3.1 散射效應(yīng)散射效應(yīng) 2.3.2 彈性散射彈性散射 2.3.3 非彈性散射非彈性散射 2.3.4 組織體出射光子的分類和組織體出射光子的分類和 修正的朗伯比爾定理修正的朗伯比爾定理 2.3 Scattering2.3 Scattering1、非彈性散射(inelastic scatteri

30、ng)彈性碰撞：瑞利散射非彈性碰撞：拉曼散射2.3 Scattering2、關(guān)于拉曼散射的討論2.3 Scattering 圖2 (a)肺癌組織和（b）正常組織的拉曼光譜3、拉曼散射的應(yīng)用拉曼散射與入射光的波長無關(guān)，只與物質(zhì)本身的分子結(jié)構(gòu)和振動(dòng)有關(guān)。p 可被用于研究物質(zhì)化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)，尤其是介質(zhì)中分子的振動(dòng)能級。p 當(dāng)入射光子和分子相碰撞時(shí)，分子的振動(dòng)能量或轉(zhuǎn)動(dòng)能量和光子能量相疊加，因此利用拉曼光譜可以把處于紅外區(qū)的分子能譜轉(zhuǎn)移到可見光區(qū)來觀測，Chapter 2 Outlines2.1 Interaction forms between light and bio-tissue 2.2

31、Absorption2.3 Scattering2.4 Luminescence2.5 Photothermal effect and Photoacoustic effect 2.6 Photochemical effects2.4 Luminescence2.4 Luminescence 2.4.1 生物組織的熒光效應(yīng)生物組織的熒光效應(yīng)(fluorescence) 2.4.2 熒光發(fā)光的表征熒光發(fā)光的表征 2.4.3 生物組織的自體熒光與外熒光生物組織的自體熒光與外熒光2.4 Luminescence吸收光頻:iivShvS1、熒光的產(chǎn)生機(jī)制、熒光的產(chǎn)生機(jī)制光化學(xué)初級過程：熒光產(chǎn)生步驟：發(fā)

32、射光頻:ffvhvSS熒光是物質(zhì)在吸收了外來激發(fā)光熒光是物質(zhì)在吸收了外來激發(fā)光并通過光化學(xué)過程后發(fā)射的波長并通過光化學(xué)過程后發(fā)射的波長長于激發(fā)光的光。長于激發(fā)光的光。(1) 動(dòng)力學(xué)過程動(dòng)力學(xué)過程SE0S*hihif斯托克斯頻移自旋和原來方向一致自旋和原來方向一致和原來方向相反和原來方向相反三重態(tài)三重態(tài)(T)具有比單重態(tài)具有比單重態(tài)(S)更低的能量和更大的激發(fā)態(tài)壽命。更低的能量和更大的激發(fā)態(tài)壽命。 2.4 Luminescence單重態(tài)（單重態(tài)（singlet, S）：）：同一軌道上的電子具有相反方向的自旋。同一軌道上的電子具有相反方向的自旋。單重激發(fā)態(tài)：單重激發(fā)態(tài)：電子在新軌道中的自旋方向和原

33、來相同。電子在新軌道中的自旋方向和原來相同。三重（三重（triplet, T）激發(fā)態(tài)：）激發(fā)態(tài)：電子在新軌道中的自旋方向和原來相反。電子在新軌道中的自旋方向和原來相反。2.4 Luminescence（2 2）熒光和磷光的產(chǎn)生過程）熒光和磷光的產(chǎn)生過程無輻射躍遷無輻射躍遷：指以放熱的形式將多余的能量輻射給周圍環(huán)境,包括：(a) 振動(dòng)馳豫振動(dòng)馳豫 ( vibrational relaxation, VR)：振動(dòng)態(tài)內(nèi)的躍遷：振動(dòng)態(tài)內(nèi)的躍遷(b) 內(nèi)轉(zhuǎn)換內(nèi)轉(zhuǎn)換 ( internal conversion, IC)：單（三）重態(tài)到單（三）重態(tài)間：單（三）重態(tài)到單（三）重態(tài)間 的躍遷的躍遷(c) 外轉(zhuǎn)換

34、外轉(zhuǎn)換 ( external conversion, EC)：激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷：激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷(d) 系間跨越系間跨越 ( intersystem crossing, ISC)：單重態(tài)到三重態(tài)間的躍遷：單重態(tài)到三重態(tài)間的躍遷輻射躍遷輻射躍遷：指以放光的形式將多余的能量輻射給周圍環(huán)境。S*S*T*吸收吸收發(fā)射熒光發(fā)射熒光發(fā)射磷光發(fā)射磷光系間跨越內(nèi)轉(zhuǎn)換振動(dòng)弛豫外轉(zhuǎn)換外轉(zhuǎn)換吸收吸收振動(dòng)弛豫外轉(zhuǎn)換S0振動(dòng)弛豫2.4 Luminescence無輻射躍遷的方式回到無輻射躍遷的方式回到第一或第三重激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)態(tài)第一或第三重激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)態(tài)能級轉(zhuǎn)換圖能級轉(zhuǎn)換圖2、熒光光譜的特征、熒光光譜的特征2.

35、4 Luminescence激發(fā)光譜激發(fā)光譜 與與 發(fā)射光譜？發(fā)射光譜？ 形狀和吸收光譜的形狀極為相似，形狀和吸收光譜的形狀極為相似， 并呈現(xiàn)并呈現(xiàn)“鏡像鏡像”現(xiàn)象；現(xiàn)象； 波長總是比激發(fā)波長稍長；波長總是比激發(fā)波長稍長； 發(fā)射光譜的形狀和激發(fā)光的波長無關(guān)；發(fā)射光譜的形狀和激發(fā)光的波長無關(guān)； 只有一個(gè)熒光帶；只有一個(gè)熒光帶； 熒光發(fā)射的強(qiáng)度和激發(fā)光的波長有關(guān)。熒光發(fā)射的強(qiáng)度和激發(fā)光的波長有關(guān)。2.4 Luminescence2.4 Luminescence 2.4.1 生物組織的熒光效應(yīng)生物組織的熒光效應(yīng)(fluorescence) 2.4.2 熒光發(fā)光的表征熒光發(fā)光的表征 2.4.3 生物組

36、織的自體熒光與外熒光生物組織的自體熒光與外熒光1、輻射量子效率、輻射量子效率or 量子產(chǎn)額（量子產(chǎn)額（quantum yield）2.4 Luminescence吸收的光子數(shù)目發(fā)出的光子數(shù)目影響量子產(chǎn)額的因素主要有影響量子產(chǎn)額的因素主要有： 內(nèi)部因素：分子內(nèi)可進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的振動(dòng)能級 的數(shù)目等 外部因素：物質(zhì)分子所處的環(huán)境 （需要穩(wěn)定的環(huán)境）)1 (0lCFeII2、熒光強(qiáng)度（、熒光強(qiáng)度（ fluorescence intensity）2.4 LuminescencelC為摩爾吸收系數(shù)；為樣品的厚度；為樣品中熒光劑的濃度。對于極稀的溶液：05. 0lClCIIF03、熒光壽命（、熒光壽命（flu

37、orescence lifetime）2.4 Luminescence 在 脈沖激勵(lì)下，輻射由其本來強(qiáng)度衰減到1/e時(shí)所需要的時(shí)間，稱為熒光壽命，用 表示。)exp(0tII熒光壽命和組織所處的環(huán)境，如PH等有關(guān)，因此可以作為判別組織病變的一個(gè)指標(biāo)。2.4 Luminescence2.4 Luminescence 2.4.1 生物組織的熒光效應(yīng)生物組織的熒光效應(yīng)(fluorescence) 2.4.2 熒光發(fā)光的特征熒光發(fā)光的特征 2.4.3 生物組織的自體熒光與外熒光生物組織的自體熒光與外熒光1、自體熒光、自體熒光（intrinsic fluorescence 或或 auto-fluores

38、cence）2.4 Luminescence 由生物組織體內(nèi)固有的熒光團(tuán)吸收一定波長的光而引起由生物組織體內(nèi)固有的熒光團(tuán)吸收一定波長的光而引起的熒光發(fā)射叫做自體熒光。的熒光發(fā)射叫做自體熒光。 自體熒光光譜的特異性差異反映了病變組織的特異性，自體熒光光譜的特異性差異反映了病變組織的特異性，是自體熒光光譜應(yīng)用于應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷。是自體熒光光譜應(yīng)用于應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷。(a) 正常組織 (b) 良性腫瘤 (c)癌組織乳腺組織的自熒光2、外熒光、外熒光（extrinsic fluorescence） 熒光探劑（probe）： 發(fā)熒光的物質(zhì)分子，外在熒光團(tuán) 2.4 Luminescence作為熒光探劑必須具備

39、以下幾個(gè)條件：探劑與被研究分子的某一基因必須能特異性地、牢固地結(jié)合；探劑的熒光必須對環(huán)境靈敏；結(jié)合的探劑不應(yīng)該影響被研究的大分子的結(jié)構(gòu)特性。Chapter 2 Outlines2.1 Interaction forms between light and bio-tissue 2.2 Absorption2.3 Scattering2.4 Luminescence2.5 Photothermal effect and Photoacoustic effect 2.6 Photochemical effects2.5 Photothermal effect and Photoacoustic e

40、ffect 2.5 Photothermal effect and Photoacoustic effect 2.5.1 熱的產(chǎn)生熱的產(chǎn)生 2.5.2 熱在組織中的傳導(dǎo)熱在組織中的傳導(dǎo) 2.5.3 熱對組織體的效應(yīng)及其應(yīng)用熱對組織體的效應(yīng)及其應(yīng)用 2.5.4 光聲效應(yīng)光聲效應(yīng)( Photoacoustic effect)2.5 Photothermal effect and Photoacoustic effect 光熱效應(yīng)（光熱效應(yīng)（photothermal effects）：）： 由于組織體在曝光時(shí)間內(nèi)吸收了激光的能量并使其轉(zhuǎn)化程了熱，熱效應(yīng)的最終結(jié)果是造成了組織的損傷。光熱密度（J/cm

41、3 ）表達(dá)式：taEQtE也常被稱為也常被稱為輻射曝光量（radiant exposure），單位為，單位為 J/cm2 光熱密度引起的組織體表面溫升為： pCQT 是用來描述組織體對熱的儲存能力的熱容（單位： ）， 為密度（單位：g/cm3），不同組織體對熱的儲存能力不同。pCCgJ2.5 Photothermal effect and Photoacoustic effect 在深度在深度z處可能引起的溫升為：處可能引起的溫升為： zaTezT溫升為表面溫升的1/e 對應(yīng)的深度顯然為a1 ，也被稱為光學(xué)穿透深度（光學(xué)穿透深度（optical penetration depth）。 組織體內(nèi)的溫升或組織損傷程度主要取決于： 輻射能量密度、曝光時(shí)間和組織體的參數(shù)輻射能量密度、曝光時(shí)間和組織體的參數(shù)。2.5 Photothermal effect and Photoacoustic effect 2.5 Photothermal effect and Photoacoustic effect 2.5.1 熱的產(chǎn)生熱的產(chǎn)生 2.5.2 熱在組織中的傳導(dǎo)熱在組織中的傳導(dǎo) 2.5.3 熱對組織體的效應(yīng)及其應(yīng)用熱對組織體的效應(yīng)及其應(yīng)用 2.5